Структура процесса восстановления деталей

 

 

1.1 Общие положения

 

1.1.1 Определения, связанные с восстанавливаемыми деталями

 

Машины и их жизненный цикл. Машиной является совокупность механизмов, образующая функционально-замкнутую систему преобразования энергии, материалов или информации с целью частичной или полной замены производственных функций человека, облегчения его труда и повышения производительности. Примеры машин: преобразователи состояния и вида материала (технологическое оборудование), преобразователи энергии (двигатели), транспортные средства, вычислительные машины. В отличие от продукции, которая расходуется при использовании сама, машины при использовании расходуют свой ресурс. Такая продукция относится к ремонтируемой, а её жизненный цикл состоит из ряда стадий (рис.1.1). Понятие жизненного цикла продукции рассматривается, в основном, по отношению к сложной наукоёмкой продукции высокотехнологичных предприятий в рамках CALS-технологий (англ. Continuous Acquisition and Life cycle Support – непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла). Инновационное компьютерное сопровождение жизненного цикла изделия включает в себя огромное множество программных пакетов, которые можно выделить в два крупных блока – компьютеризированное интегрированное производство (CAD/CAM/CAE/PDM) и система логистической поддержки изделия (ILS).

Главными процессами, составляющими жизненный цикл продукции, являются процесс разработки и процесс производства. Процесс разработки начинается с запросов потребителей, которые обслуживаются отделом маркетинга, и заканчивается полным описанием продукта, обычно выполняемым в форме рисунка. Процесс производства начинается с технических требований и заканчивается поставкой готовых изделий.

Операции, относящиеся к процессу разработки, можно разделить на аналитические и синтетические. Как следует из рис.1.1, первичные операции разработки, такие как определение необходимости разработки, формулирование технических требований, анализ осуществимости и сбор важной информации, а также концептуализация разработки, относятся к подпроцессу синтеза. Результатом подпроцесса синтеза является концептуальный проект предполагаемого продукта в форме эскиза или топологического чертежа, отражающего связи различных компонентов продукта. В этой части цикла делаются основные финансовые вложения, необходимые для реализации идеи продукта, а также определяется его функциональность. Готовый концептуальный проект анализируется и оптимизируется – это уже подпроцесс анализа. Прежде всего, вырабатывается аналитическая модель, поскольку анализируется именно модель, а не сам проект. Качество результатов, которые могут быть получены в результате анализа, непосредственно связанно с качеством выбранной аналитической модели, которым оно ограничивается. После завершения проектирования и выбора оптимальных параметров начинается этап оценки проекта. Если оценка проекта показывает, что проект не удовлетворяет требованиям, описанный выше процесс разработки повторяется снова. Если же результат оценки проекта оказывается удовлетворительным, начинается подготовка проектной документации.

Рисунок 1.1 – Схема этапов жизненного цикла продукции

 

 

Как видно из рис.1.1, процесс производства начинается с планирования, которое выполняется на основании полученных на этапе проектирования чертежей, а заканчивается готовым продуктом. Технологическая подготовка производства – это операция, устанавливающая список технологических процессов по изготовлению продукта и задающая их параметры. Одновременно выбирается оборудование, на котором будут производиться технологические операции, такие как получение детали нужной формы из заготовки. В результате подготовки производства составляются план выпуска, списки материалов и программы для оборудования. На этом же этапе обрабатываются прочие специфические требования, в частности рассматриваются конструкции зажимов и креплений. После завершения технологической подготовки начинается выпуск готового продукта и его проверка на соответствие требованиям. Детали, успешно проходящие контроль качества, собираются вместе, проходят тестирование функциональности, упаковываются, маркируются и отгружаются заказчикам.

Заключительными этапами жизненного цикла продукции являются эксплуатация, гарантийное обслуживание (монтаж, наладка, техническая поддержка и обслуживание, ремонт), постгарантийная деятельность (консалтинговые услуги), утилизация после использования или переработка (рециклинг). Одну из заключительных стадий обслуживает ремонтное производство, которое устраняет повреждения деталей и сборочных единиц и восстанавливает ресурс машин после их длительной эксплуатации.

Состав машины. Машина делится на агрегаты, которые состоят из сборочных единиц и узлов, а последние в свою очередь состоят из деталей.

Агрегат – это часть машины, которая способна выполнять самостоятельную функцию, обладает полной взаимозаменяемостью с одноименными изделиями и возможностью сборки отдельно от других составных частей машины. Большинство машин включает двигательные, передаточные и исполнительные агрегаты. Агрегатами станка, например, являются электродвигатель, коробки скоростей и подач, пиноль, шлифовальная бабка.

Сборочная единица – изделие, состоящее из нескольких деталей, соединённых между собой с помощью сборочных или монтажных операций и имеющих общее функциональное назначение (корпус редуктора со шпильками, маховик с зубчатым венцом, рама автомобиля и др.).

Узел – это сборочная единица, которая может собираться отдельно от других составных частей агрегата или машины. Узел способен выполнять свою функцию только вместе с другими частями изделия.

Деталь – это изделие, изготавливаемое из однородного материала без сборочных или монтажных операций. К деталям относят также изделия с покрытиями и изделия, полученные с помощью сварки, пайки, склеивания и подобных процессов. Техническое состояние деталей, из которых собран агрегат, определяет его наработку.

 

Состояния деталей. Каждая деталь может пребывать в исправном, неисправном, работоспособном, неработоспособном и предельном состояниях.

В исправном состоянии деталь соответствует всем требованиям к ней нормативной, ремонтной и технологической документации, а если деталь не соответствует хотя бы одному из требований этой документации, то она признаётся неисправной.

Работоспособное состояние детали такое, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданную функцию, соответствуют требованиям нормативной, ремонтной и технологической документации. Если значение хотя бы одного из этих параметров не соответствует требованиям этой документации, то деталь признаётся неработоспособной.

Отказ – это событие, которое заключается в нарушении работоспособности.

Предельное состояние детали определяется тем, что её дальнейшее применение по назначению технически невозможно или экономически нецелесообразно. При достижении предельного состояния деталь может обладать или не обладать потенциальной работоспособностью. В первом случае она может быть восстановлена, а во втором случае деталь утилизируется. Предельное состояние детали возникает из-за критического числа накопленных повреждений.

Повреждения деталей – это недопустимые, приобретённые в эксплуатации отклонения значений свойств их материала и геометрических параметров от начальных, заложенных при изготовлении или предыдущем восстановлении. В результате целесообразных действий рабочих и СТО над ремонтируемыми машинами (в том числе и над частями машин – деталями) происходят их превращения из состояния ремонтного фонда в товарную продукцию.

Восстановление и упрочнение деталей. Восстановление деталей – это технологический процесс возобновления их исправного состояния и ресурса путём возвращения им утраченной части материала из-за изнашивания и (или) доведения до нормативных значений свойств, изменившихся за время длительной эксплуатации. Детали переходят в исправное состояние из любого другого в результате их восстановления.

Восстановленные детали в течение последующей эксплуатации достигают предельного состояния, как правило, в различные моменты времени. Предельное состояние агрегата и необходимость его ремонта обусловливаются небольшим числом недолговечных деталей. Преждевременные отказы деталей возникают из-за конструктивных или технологических дефектов, которые выявляют во время заводских испытаний и эксплуатации отремонтированных агрегатов. Детали, которые отказывают раньше других и определяют послеремонтную наработку агрегата, подлежат упрочнению.

Упрочнение деталей, лимитирующих наработку отремонтированных агрегатов, – это повышение сопротивляемости элементов этих деталей разрушению, остаточной деформации или изнашиванию. Операции упрочнения деталей входят составной частью в процессы их изготовления или восстановления. Детали упрочняют путём нанесения износостойких покрытий, термической обработкой, пластическим деформированием материала или другими способами.

 

1.1.2 Основные положения надёжности

 

Надёжность деталей – это свойство деталей выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах. Надёжность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения изделия и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определённые сочетания этих свойств.

Основным среди свойств надёжности детали является безотказность, которая определяет способность сохранять работоспособное состояние в течение установленного времени или наработки. Основные показатели безотказности: интенсивность отказов, вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа, ресурс непрерывной работы.

Долговечность – это свойство детали сохранять работоспособность до предельного состояния. Показателями долговечности служат ресурс и срок службы детали. Ресурс – это наработка детали до предельного состояния, а срок службы – календарная продолжительность её эксплуатации до исчерпания ресурса. Долговечность рассматривается как промежуток времени или наработка, в течение которых оценивается безотказность.

Остаточная долговечность – это потенциальная долговечность отказавших деталей, которая может быть использована в последующей эксплуатации после выполнения экономически обоснованного объёма восстановительных работ.

Ремонтопригодность – это приспособленность детали к предупреждению, обнаружению и устранению повреждений путём восстановления.

Сохраняемость – свойство изделия непрерывно сохранять исправное состояние в течение хранения и транспортирования.

 

1.2 Характерные неисправности деталей

 

Неисправности деталей машин можно разделить на три группы: износы, механические повреждения, химико-тепловые повреждения.

Износы деталей машин определяются давлением, циклическими нагрузками, режимом смазывания и степенью его стабильности, скоростью перемещений поверхностей трения, температурным режимом работы деталей, степенью агрессивности окружающей среды, качеством обработки поверхности и состоянием поверхностей трения и т.д.

В зависимости от условий работы все детали по виду изнашивания можно разбить на пять групп. К первой группе относятся детали ходовой части мобильных машин, для которых основным фактором определяющим их долговечность, является абразивное изнашивание; ко второй группе – детали, у которых основным фактором, лимитирующим долговечность, является износ вследствие пластического деформирования; к третьей группе – детали, для которых доминирующим фактором является коррозионно-механическое или молекулярное механическое изнашивание; к четвертой группе – детали, долговечность которых лимитируется пределом выносливости; к пятой группе – детали, у которых долговечность зависит одновременно от износостойкости трущихся поверхностей и предела выносливости материала деталей.

Механические повреждения деталей. К таким повреждениям относятся трещины, пробоины, риски и надиры, выкрашивания, поломки и обломы, изгибы, вмятины, скручивания.

Трещины образуются в результате воздействия значительных местных нагрузок, ударов и перенагружений. Они могут появляться в наиболее нагруженных местах рам, блоков, корпусов коробок передач задних мостов и других корпусных деталей различных механизмов.

Пробоины появляются в результате ударов различных предметов о поверхности тонкостенных деталей. К таким повреждениям относятся пробоины на стенках блока цилиндров, крыльях, капотах и корпусах коробок передач и редукторов.

Риски и надиры (ряд рисок) на рабочих поверхностях деталей чаще образуются вследствие загрязнения смазки или абразивного действия чужеродных частиц.

Выкрашивание – дефект, характерный для поверхностей деталей, подвергнутых химико-термической обработке, появляющейся в следствие динамических ударных нагрузок в процессе эксплуатации.

Поломки и обломы возникают при сильных ударах детали; часто наблюдаются на литых деталях. Могут возникать также в результате усталости металла.

Изгибы, вмятины характеризуются нарушением формы деталей и происходят в результате ударных нагрузок.

Скручивание деталей возникает от воздействия большого крутящего момента, связанного с преодолением временных значительных сопротивлений приработке.

Химико-тепловые повреждения деталей по сравнению с другими повреждениями встречаются реже и возникают, как правило, в результате сложных взаимодействий при тяжёлых условиях эксплуатации машин. К таким повреждениям относятся: коробление, коррозия, раковины, образование нагара, накипи, электроэрозионное разрушение и т.д.

Коробление деталей происходит в результате воздействия высоких температур (чаще при нарушении правил эксплуатации машин), приводящих к возникновению структурных изменений и больших внутренних напряжений. Такие повреждения характерны для головок цилиндров автотранспортных двигателей.

Коррозия – процесс разрушения металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой.

Для оборудования характерны сплошная (равномерная и неравномерная коррозия) и местная коррозии.

Сплошная коррозия проявляется в постепенном уменьшении первоначальной толщины элементов сосудов, аппаратов и машин. Скорость коррозии можно заранее рассчитывать, используя данные по коррозионной стойкости конструкционных материалов в конкретных технологических условиях.

Большую опасность представляет местная (избирательная) коррозия. Основными причинами появления местной коррозии, т.е. коррозии, охватывающей участки поверхности деталей машин и аппаратов, являются как внутренние факторы (непостоянство структуры и свойств материала, состояние поверхности, неоднородное напряжённое состояние в элементах конструкции и т.п.), так и внешние факторы, определяемые, прежде всего, условиями взаимодействия металла со средой. Для оборудования характерна местная коррозия, т.е. точечная, контактная щелевая, пятнами и язвами.

Одним из видов разрушения являются коррозионные усталость и растрескивание. Коррозионная усталость возникает при одновременном воздействии циклических растягивающих напряжений и агрессивной среды и обусловлена значительным снижением предела выносливости в специфических условиях по сравнению с пределом выносливости этих металлов на воздухе. Коррозионное растрескивание наблюдается при одновременном воздействии коррозионной среды и внешних или внутренних растягивающих напряжений с образованием транскристалличных и межкристалличных трещин.

Для оборудования характерными видами изнашивания являются абразивное, коррозионно-механическое, гидроабразивное, гидроэрозионное и кавитационное.

Наиболее распространенный вид разрушения технологического оборудования – коррозионно-механическое изнашивание, происходящее в результате механических воздействий, сопровождающихся химическими или электрохимическими воздействиями среды на металл. В результате совместного воздействия механического и коррозионного факторов в поверхностных слоях металла происходят взаимосвязанные явления, способствующие активации процессов упругопластичного деформирования, химических или электрохимических реакций.

Гидроабразивное изнашивание происходит в результате воздействия на поверхность металла твёрдых абразивных частиц, взвешенных в жидкости и перемещающихся относительно изнашиваемой поверхности. Такой вид характерен для рабочих колёс и корпусов насосов и т.д. Гидроабразивное изнашивание происходит при наличии значительного числа абразивных частиц в составе технологической среды.

При воздействии скоростных потоков жидких технологических сред на поверхность трубопроводов, деталей насосов, запорной и регулирующей арматуры и тому подобных поверхностей возникает разрушение металла вследствие ударных воздействий турбулентных струй – гидроэрозионное изнашивание. Его разновидность – коррозия при гидравлических ударах и кавитационое изнашивание.

Кавитационное изнашивание происходит в результате воздействия на его поверхность микроударных нагрузок, возникающих при образовании и захлопывании кавитационных полостей и пузырьков.

Раковины (выгорание) образуются в результате местных температурных воздействий на поверхности детали, например раковины на корпусных поверхностях (фасках) выпускных клапанов и т.д.

Нагар образуется в результате взаимодействия сильнонагретых газов и продуктов сгорания топлива и масел на поверхностях деталей. Образовавшийся нагар ухудшает условия теплопередачи и в некоторых случаях приводит к перегреву деталей и образованию на них трещин.

Накипь на стенах рубашки блока появляется в результате использования в системе охлаждения двигателей воды с малорастворимыми в воде солями магния и кальция и механическими примесями.

Электроэрозионное разрушение возникает в результате воздействия на поверхности деталей искровых разрядов. Электроны, вылетающие с катода, выбивают с поверхности анода частицы металла, которые рассеиваются в окружающей среде и частично переносятся на катод.

Неисправности деталей по вероятности их появления можно разделить на три вида: зависимые, равновозможные и независимые (или случайные).

Появление одной из зависимых неисправностей обязательно вызовет появление другой зависимости неисправности или будет сопутствовать последней.

Равновозможные неисправности возникают без закономерной связи друг с другом, но каждая из них в отдельности должна появиться на детали обязательно (закономерно). Вероятности появления таких неисправностей примерно равные.

Случайные неисправности возникают независимо от других неисправностей детали. Они носят случайный характер и при эксплуатации деталей могут и не появиться.

По характеру возникновения зависимые и равновозможные неисправности являются результатом естественного изнашивания, а случайные – результатом только аварии.

 

1.3 Структура процесса восстановления деталей

 

Детали поступают на восстановление с загрязнениями, изношенными поверхностями, израсходованной усталостной прочностью, изменённой массой, деформированными, уменьшенной жёсткостью, утраченной герметичностью и другими изменёнными параметрами.

Повреждённая деталь ремонтного фонда на пути своего превращения в годную деталь в результате технологических воздействий на неё исполнителей и СТО последовательно пребывает в следующих состояниях (рис. 1.2): детали ремонтного фонда, исходной и ремонтной заготовок и восстановленной детали. Эти превращения связаны с изменением значений геометрических параметров, химического состава поверхностных слоёв, их структуры (в том числе дислокационной) и внутренних напряжений в них.

Исходная заготовка представляет собой очищенную деталь ремонтного фонда с устранимыми повреждениями. Исходная заготовка в общем случае превращается в ремонтную заготовку путём создания припусков на восстанавливаемых поверхностях и устранения трещин, а ремонтная заготовка в восстановленную деталь – в результате термической и механической обработки. Чистоту поверхностей деталей восстанавливают путём их очистки от эксплуатационных и технологических загрязнений.

Исходные заготовки выбирают в результате работ по определению технического состояния деталей ремонтного фонда. Эти заготовки собирают в группы с одинаковыми сочетаниями устраняемых повреждений и в виде партий направляют на соответствующие участки восстановления.

Технологические воздействия на восстанавливаемую деталь образуют в дальнейшем такие блоки операций: подготовку изношенных элементов под нанесение покрытий или установку дополнительной ремонтной детали (ДРД); установку и закрепление ДРД; сварку трещин; нанесение покрытий или перераспределение материала путём его объёмного пластического деформирования; размерную и структурную стабилизацию элементов; термическую обработку; черновую и чистовую механическую обработку; поверхностное пластическое деформирование; отделку; уравновешивание; очистку от технологических загрязнений; контроль и консервацию.

Предварительная механическая обработка придаёт правильную геометрическую форму восстанавливаемым элементам перед нанесением покрытий или установкой ДРД.

Ремонтное производство располагает хорошо изученным множеством способов создания припусков под механическую обработку на восстанавливаемых поверхностях. Это различные виды наплавки, напыления, нанесения электрохимических покрытий, объёмного пластического деформирования, установки ДРД и др.

Износостойкость трущихся поверхностей восстанавливают нанесением восстановительных покрытий необходимого состава, термической обработкой, поверхностным пластическим деформированием и механической обработкой.

Рисунок 1.2 – Схема технологического процесса восстановления детали

 

Прочность детали восстанавливают установкой и закреплением ДРД и сваркой.

Коррозионную стойкость детали восстанавливают нанесением защитных покрытий (металлических или лакокрасочных).

На стадии создания ремонтной заготовки в основном формируется материал и структура рабочих поверхностей детали, что определяет её послеремонтную надёжность.

Очерёдность технологических операций в процессе восстановления детали подчинена накапливанию и усилению необходимых свойств детали под влиянием вложенных материалов и энергии в заготовку. Перед нежелательными свойствами ставятся технологические «барьеры». Явление технологической наследственности выражается влиянием предшествующих операций на конечные свойства восстанавливаемых деталей. Первые операции обычно влияют на эти свойства слабее, чем заключительные.

За форму и взаимное расположение поверхностей в наибольшей степени отвечают первые операции механической обработки, за размеры и шероховатость – последние, за износостойкость – материалы, операции нанесения покрытий и термической обработки, за усталостную прочность и жёсткость – термические операции и поверхностное пластическое деформирование.

Однотипные операции (нанесение покрытий, термическую и механическую обработку и др.) при восстановлении различных элементов детали объединяют в блоки операций и выполняют вместе.

Все технологические операции, связанные с вложением тепла в материал детали, объединяют в одной части технологического процесса и отделяют от последующих операций термической обработкой. Эта операция после нанесения покрытия служит технологическим «барьером» для внутренних напряжений, роста зерна материала и деформации детали.

Взаимное расположение, форму, размеры и шероховатость рабочих поверхностей восстанавливают механической обработкой этих поверхностей в большинстве случаев после нанесения восстановительных покрытий.

При черновой механической обработке снимают основную часть операционного припуска. Если условно разделить эту операцию на две части, то вначале обеспечивают нужное взаимное расположение поверхностей детали, а затем – форму её геометрических элементов. Черновая обработка обычно лезвийная, она выполняется на токарных, расточных и фрезерных станках. Реже она бывает абразивной.

Точность взаимного расположения поверхностей обеспечивают выбором технологических баз и ориентированием детали относительно движущегося инструмента, а точность формы – жёсткостью и точностью оборудования, выбором инструмента и режимов обработки. Взаимное расположение поверхностей заготовки может быть восстановлено и пластическим деформированием её материала путём правки.

В результате чистовой обработки достигают заданную точность размеров и шероховатость поверхностей, близкую к нормативной. Чистовая обработка для шеек валов – это, в большинстве случаев, абразивная обработка, а для отверстий – тонкое растачивание и хонингование.

Усталостную прочность элементов, воспринимающих знакопеременную нагрузку, и жёсткость детали восстанавливают, соответственно, поверхностным и объёмным пластическим деформированием материала. Назначение поверхностного пластического деформирования – закрыть микротрещины и создать наклёпанный слой с внутренними напряжениями сжатия. Объёмное пластическое деформирование создаёт наклёп в рабочем объёме детали. Пластическое деформирование реализуется механическими или термомеханическими способами.

Назначение отделочных операций (полирования, суперфиниширования, хонингования) заключается в снятии разупрочнённого в результате механической обработки слоя и обеспечении требуемой шероховатости поверхностей.

Необходимое значение массы детали и её распределение относительно осей вращения и инерции достигают установкой уравновешивающих грузов необходимой массы в определённых местах детали или соответствующим удалением части её материала.

На обработанных деталях находятся технологические загрязнения (стружка, зёрна абразивного инструмента, остатки СОЖ, полировальные пасты и др.), которые способны в течение нескольких минут работы вызвать отказ системы смазки отремонтированного агрегата или агрегата в целом. Детали, направляемые на сборку, должны быть очищены от этих загрязнений. Особое внимание уделяют очистке масляных каналов и внутренних полостей.

Операция контроля заключается в установлении соответствия параметров восстановленной детали требованиям технической документации (чертежа или карты технического контроля). Контрольная операция оснащена средствами для измерения геометрических параметров, физико-геометрических свойств и других характеристик. По результатам контроля принимают решение о годности детали.

Консервационную защиту деталей до 3–5 дней обеспечивают технические моющие средства, применяемые для очистки деталей от технологических загрязнений. Для более длительного хранения (это относится к деталям, предназначенным для продажи) необходима специальная консервация маслами, промасленной бумагой, парафиносодержащими и другими средствами.

Таким образом, процесс восстановления деталей включает операции их очистки, определения технического состояния, принятия решения по процедуре восстановления, создания ремонтных заготовок с припуском на восстанавливаемых поверхностях, термической и механической обработки, поверхностного или объёмного пластического деформирования, обеспечения значения массы, уравновешивания, нанесения защитных покрытий, контроля и консервации.

 

ГЛАВА 2 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: